发动机废气中的氧含量直接反映发动机空燃比，因此检测发动机废气中的氧含量是控制混合气空燃比的有效手段。废气中的氧气超过一定限度说明混合气偏稀，而废气中完全没有氧气侧说明混合气偏浓，偏浓混合气将会造成排气污染。
图1-80 三元催化剂净化率特性曲线
氧传感器的作用是指示发动机中混合气的燃烧是否完全，测定废气中的氧含量，然后将检测的结果及时反馈给发动机的控制系统，以便使发动机控制系统不论发动机机械状态如何，都能有效地对燃料系统进行调控，把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内，使装有三元催化转换器的发动机达到最佳的排气净化效果。氧传感器装在排气歧管或前排气管内，如图1-81所示。
图1-81 氧传感器的安装位置 1-排气歧管 2-氧传感器
现在已经实用化了的氧传感器，有氧化锆（ZrO2）氧传感器和二氧化钛（TiO2）氧传感器两种。氧化锆氧传感器，是利用氧化锆高温时其内外两侧氧浓度差，使其产生电动势的特性来测量废气中氧的浓度。二氧化钛氧传感器是利用二氧化钛周围氧气分压的不同而进行氧化或还原反应，从而使电阻发生变化的原理来测量废气中氧的浓度。根据氧传感器是否需要加热，可将氧传感器分为加热式和不加热式，二氧化钛氧传感器为加热式，氧化锆氧传感器有加热型的也有不加热型的。加热式氧传感器上一般有3根引线（三线式），其中一根为信号线，另外两根为加热线；而不加热式氧传感器为单线式，即只有一根信号线。
1、氧化锆（ZrO2）氧传感器
图1-82所示为氧化锆氧传感器的结构，该传感器由可产生电动势的多孔二氧化锆陶瓷管、具有导线作用的套管以及为防止氧化锆管破损的防护罩与导入排气的通气窗等构成。在试管状氧化锆元素的内外两侧，设置了白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电极外侧，内侧输入氧浓度高的大气，外侧输入氧浓度低的汽车排出气体。
图1-82 氧化锆式氧传感器的结构 a）结构图 b）局部放大图
1-防护置 2-氧化锆体 3-壳体 4-输出接头 5-外套 6-导线 7-电动势 8-大气一侧的白金电极 9-固态电解质（氧化锆元素）10-排气一侧的白金电极 11-涂层（陶瓷）12-排气 13-大气
图1-83a所示氧化锆式氧传感器的作用原理，氧化锆在高温下具有这样一种特性，即当内外侧的氧浓度差较大时，就会产生电动势，这种传感器的工作和干电池的原理相似，氧传感器的二氧化锆起到类似电触液的作用。
在高温时，二氧化锆能导电，如果此时两个极板接触的气体的含氧量不同，极板之间就会产生一个微量电压。这是因为氧离子带两个自由电子，即有负电荷，而二氧化锆吸收氧离子，结果负电荷积聚在靠铂极一侧的二氧化锆表面。氧传感器利用这一性质，在氧化锆管内侧导入大气（氧浓度高），外侧接触氧浓度低的排气。因此，随着排气中的氧浓度变化，其内外侧浓度比也在变化，在氧不足的过浓混合气侧，其氧浓度比较大，使之产生电动势。同时，在氧过剩的稀薄混合气侧，其氧浓度比较小，使之几乎不产生电动势。
图1-83 氧化锆式氧传感器的作用原理及输出特性
a）氧化锆式氧传感器的作用原理 b）没有铂催化作用时的输出特性 c）有铂催化作用时的输出特性
1-铂电极 2-多孔陶瓷层 3-排气 4-标准空气 5-铂电极 6-固体电解质（氧化锆）7-电动
势 8-电动势曲线 9-传感器表面氧浓度曲线
即使在过浓混合气燃烧时，排气中也会有少量氧存在。因此，只有氧化锆管，不能形成可获得充分电动势的氧浓度比。而在氧化锆管表面覆盖多孔铂时，不仅具有电极的作用，还有催化剂作用，即
2CO+O2一→2CO2
通过这种作用，过浓混合气燃烧时生成的排气与铂（催化剂）接触，使该部分残存的低浓度氧几乎与一氧化碳（CO）完全反应，由于铂表面的 O2浓度几乎为零（其表面CO浓度也相应减少），故氧浓度比非常大，从而可产生1V左右的电动势。故采用具有催化剂作用的铂作电极，可使电动势以理论空燃比为界发生突变。
对于稀薄混合气燃烧生成的排气，由于存在高浓度的O2与低浓度的CO，即使CO与O2完全反应，也会有剩余的O2存在，故氧浓度比低，几乎不产生电压。
此外，在接近理论空燃比的排气中，存在着低浓度的CO与O2，在铂表面O2从与CO完全反应状态（CO过剩，O2为零），急剧向氧过剩状态（CO为零，O2过剩）变化，氧浓度比也急剧变化，从而使电动势急剧变化，图1-83b、c所示为氧化锆式氧传感器的输出特性。但上述特性只在温度比较高的条件下才能充分体现出来，在低温时，这种特性会发生很大变化，这时为了能够得到稳定的输出，应把氧传感器安装在不使温度降低的位置，如可把图1-84所示的陶瓷加热器置于氧化锆元素的内侧，使氧化锆氧传感器保持较高温度，这种方法已经实用化了。
图1-85a所示为氧化锆式氧传感器的空燃比反馈控制系统实例，在该系统中，为对排气中的CO、HC、NOx三种成分同时获得高净化率，而采用了三元催化剂。为使三元催化剂发挥最佳效果，必须在各种工况下，总是使空燃比控制在理论值水平附近。因此，使用氧化锆式氧传感器来检测排气中的氧浓度，通过发动机电控单元的反馈控制，即可实现控制空燃比的反馈控制。
图1-84 带加热器的氧化锆式氧传感器 1-氧化锆 2-加热器（陶瓷表面）
图1-85b所示为反馈控制系统工作原理，空燃比大时，排气中氧浓度增高，氧传感器把这种状态转变为电信号输入ECU。然后，ECU控制增加燃油喷射量。同样，空燃比小于理论空燃比时，排气中氧浓度降低，氧传感器把这种浓度状态输入ECU然后ECU控制减少喷油量，使之恢复原来状态。就是这样，反馈控制系统通过反复地进行这种动作，使空燃比接近理论值水平。
图1-86所示为氧传感器与ECU的连接电路。排气氧浓度与大气氧浓度的差值可产生电动势，把该电动势在输入回路的比较器中与基准电压对比，以0.45V以上为1（浓信号），以0.45 V以下为0（稀薄信号）输入ECU。
图1-85 氧化锆式氧传感器的空燃比反馈控制系统框图 a）系统框图 b）工作原理图
1-吸入空气量信号 2-冷却水温度信号 3-空气流量计或负压传感器 4-转速传感器 5-发动机 6-三元催化剂 7-氧传感器 8-喷油器 9-燃油喷射量信号 10-ECU 11-转速信号 12-喷油时间补充回路 13-决定基本喷射时间电路
图1-86 氧传感器与ECU的连接电路
1-氧传感器 2-基准电压 3-比较器 4-电脑 2、二氧化钛（TiO2）式氧传感器
二氧化钛式氧传感器采用TiO2 N型半导体元件制成，该传感器也与氧化锆式氧传感器一样，可通过检测排气中氧浓度控制空燃比。
图1-87所示为二氧化钛式氧传感器的结构，TiO2元件为一圆板状电极在绝缘体（陶瓷）的削端，装有一TiO2热敏电阻元件，从其两电极与两元件的中点共引出3根导线。同时，在绝缘体的表面缠绕着钨丝加热圈，从中又引出两根导线。
二氧化钛氧传感器的工作原理同氧化锆式氧传感器的工作原理有很大不同，它是利用导体二氧化钛（TiO2），依周围氧气分压的不同而进行氧化或者还原反应，使电阻发生变化。
图1-87 二氧化钛式氧传感器结构及特性
a、b）结构 c）特性
1-TiO2氧传感器元件 2-壳体 3-绝缘体 4-端子 5-陶瓷连结片 6-导线 7-TiO2热敏电阻元件
氧分压如果偏离理论空燃比，则呈阶跃变化。所以利用测定的氧气分压，即传感器的电阻变化，就能测得空燃比的偏离差值。与空燃比相对应的传感器电阻值的变化特性如图1-89c所示，图中以理论空燃比为界，电阻值产生跃变。
当周围气体介质中的氧元素多时，二氧化钛的电阻值增大；反之，氧元素少时，电阻值